2008航天器动力学20-太阳帆解析
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2018年10月8日 Page 9
专题：地球磁场探测
地球磁场的特点 在太阳风的作用 下，地球磁场形状大 致如图所示。
太阳帆轨道
希望可以发射太 阳帆，探测地球磁场 的顶部和尾部。
2018年10月8日
Page 10
传统卫星探测地球磁场的缺点
如果采用传统卫 星，其轨道在惯性空 间中（基本）不动。
但是地球磁场总 是沿太阳-地球连线方 向，在惯性空间中转 动。 传统卫星在很多 时段不能探测希望的 区域。
2018年10月8日
Page 4
太阳帆
2018年10月8日
Page 5
2018年10月8日
Page 6
太阳帆的轨道
不规则轨道
Z
X
Y
悬浮轨道
太阳帆编队
Z
Z
X
X Y
Y
2018年10月8日
Page 7
光压对太阳帆的作用力通常采用如下形式
2 AU F 2 PA s n n S 2
卫星轨道
地球轨道
2018年10月8日
Page 11
太阳帆探测地球磁场
对于太阳帆，如 果使其轨道在太阳光 压下进动，有可能使 轨道始终跟随着地球 磁场的运动。
地球轨道
Colin 教授的 工作就是最早提出 了太阳帆轨道与地 球磁场同步运动的 条件。
太阳帆轨道
2018年10月8日
Page 12
Colin 教授的工作 对于太阳帆，考虑地 球引力和太阳光压，把光 压作为摄动，利用拉格朗 日方程，有
2 PA a0 m
2018年10月8日 Page 14
积分结果
对拉格朗日方程进行积分，得到
在平均意义上， 太阳帆轨道的大 小、形状不变
太阳帆轨道会 产生进动！ 在一个周期内，平均的进动角速度为
2018年10月8日
Page 15
clear all syms mu a e fr ft f a0 '----------------------' fr=-a0*cos(f); ft=a0*sin(f); p=a*(1-e^2); r=p/(1+e*cos(f)); temp1=fr*e*sin(f); temp2=ft*p/r; da=2*p*r^2/mu/(1-e^2)^2*(temp1+temp2); temp1=fr*sin(f); temp2=ft*(1+r/p)*cos(f)+ft*e*r/p; de=r^2/mu*(temp1+temp2);
2018年10月8日 Page 3
美国弗里德曼毕生致力于推动光帆航宇的发展，早在 上个世纪1976年他就职于美国宇航局喷气推进实验室的时 候，他就提出利用一个64万平方米的巨帆航向哈雷彗星进 行探测的思路，美国宇航局认为太过冒险而没有采纳。他 后来离开美国宇航局后，认识了许多俄罗斯宇航科学家和 工程师，弗里德曼最终从他们中找到了志同道合的伙伴， 共同建造并发射人类的第一个光帆。 2001年7月20日，人类的第一个太阳帆“宇宙一号” 从一艘俄罗斯的核潜艇上发射升空，但飞船由于没能与第 三级运载火箭分离而坠毁。在第一个“宇宙一号”失败后， 弗里德曼没有放弃，决定重新建造新的光帆，名字仍然采 用“宇宙一号”，
太阳帆法线方向
太阳光方向
其中R和T是径向和横向分量，具体为 a0是特征加速度
2018年10月8日 Page 13
特征加速度的定义
太阳光的压力公式
2 AU F 2 PA s n n r 2
Where AU is 1 astronomical unit, r is the distance between the sail mass center and the Sun, P is the nominal solar radiation pressure constant at 1 from the Sun, A is the area of the sail. 当太阳帆距离太阳1个天文单位，且法线沿太阳光线 时，此时的太阳帆加速度定义为特征加速度，其大小为
如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方 米，由光压获得的推力为0．034吨。根据理论计算，这一 推力可使重约0．5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若 太阳帆的直径增至2000米，它获得的1．5吨的推力就能把 重约5吨的航天器送到太阳系以外。 由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型 太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。
太阳帆介绍
高云峰
2018年10月8日 Page 1
背景介绍
太阳帆是以太阳光压为动力的航天器。可以飞向遥远 的星空而基本上不携带燃料。 太阳帆的轨道是非开普勒轨道，其轨道和姿态耦合比 普通的卫星要大得多。 目前太阳帆还没有进入工程应用阶段，但是小形太阳 帆的技术验证工作已经开展。
wk.baidu.com
从文献中看，未来太阳帆的应用有几个方面： 深空探测，飞向一些行星 悬浮轨道，探测太阳或其他天体的信息 在新的拉各朗日点驻留，提前预报太阳风暴 地球磁场探测，跟踪地球磁场的运动
2018年10月8日 Page 2
著名天文学家开普勒早在400年前就曾设想过不携带任何 能源，仅依靠太阳光的能量使飞船驰骋太空的可能性。他曾 指出，彗星烟雾状的尾部就是在太阳光影响下“不断飘动 的”。 但直到1924年，俄国航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基和 其同事灿德尔才明确提出“用照射到很薄的巨大反射镜上的 太阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出 了太阳帆——这种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成 为今天建造太阳帆的基础。而后科幻小说家阿瑟· 克拉克在他 的小说《太阳帆船》里太阳帆的概念深入人心。 虽然“太阳帆”飞船的构想最早比人类第一枚火箭成功 发射还早30多年，但它的发展却不是一帆风顺的，包含了人 类将近一个世纪的梦想和曲折。
其中AU是1个天文单位，ρs是从太阳到太阳帆的距 离, P是太阳光压在距太阳1个天文单位处的强度， A是太阳帆的面积。
2018年10月8日
Page 8
在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的 推力还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳 光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要 十分光滑平整。“宇宙”1号的太阳帆面积为530．93平方 米，与光压获得的推力仅为255克。
专题：地球磁场探测
地球磁场的特点 在太阳风的作用 下，地球磁场形状大 致如图所示。
太阳帆轨道
希望可以发射太 阳帆，探测地球磁场 的顶部和尾部。
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传统卫星探测地球磁场的缺点
如果采用传统卫 星，其轨道在惯性空 间中（基本）不动。
但是地球磁场总 是沿太阳-地球连线方 向，在惯性空间中转 动。 传统卫星在很多 时段不能探测希望的 区域。
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太阳帆
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太阳帆的轨道
不规则轨道
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悬浮轨道
太阳帆编队
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光压对太阳帆的作用力通常采用如下形式
2 AU F 2 PA s n n S 2
卫星轨道
地球轨道
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太阳帆探测地球磁场
对于太阳帆，如 果使其轨道在太阳光 压下进动，有可能使 轨道始终跟随着地球 磁场的运动。
地球轨道
Colin 教授的 工作就是最早提出 了太阳帆轨道与地 球磁场同步运动的 条件。
太阳帆轨道
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Colin 教授的工作 对于太阳帆，考虑地 球引力和太阳光压，把光 压作为摄动，利用拉格朗 日方程，有
2 PA a0 m
2018年10月8日 Page 14
积分结果
对拉格朗日方程进行积分，得到
在平均意义上， 太阳帆轨道的大 小、形状不变
太阳帆轨道会 产生进动！ 在一个周期内，平均的进动角速度为
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clear all syms mu a e fr ft f a0 '----------------------' fr=-a0*cos(f); ft=a0*sin(f); p=a*(1-e^2); r=p/(1+e*cos(f)); temp1=fr*e*sin(f); temp2=ft*p/r; da=2*p*r^2/mu/(1-e^2)^2*(temp1+temp2); temp1=fr*sin(f); temp2=ft*(1+r/p)*cos(f)+ft*e*r/p; de=r^2/mu*(temp1+temp2);
2018年10月8日 Page 3
美国弗里德曼毕生致力于推动光帆航宇的发展，早在 上个世纪1976年他就职于美国宇航局喷气推进实验室的时 候，他就提出利用一个64万平方米的巨帆航向哈雷彗星进 行探测的思路，美国宇航局认为太过冒险而没有采纳。他 后来离开美国宇航局后，认识了许多俄罗斯宇航科学家和 工程师，弗里德曼最终从他们中找到了志同道合的伙伴， 共同建造并发射人类的第一个光帆。 2001年7月20日，人类的第一个太阳帆“宇宙一号” 从一艘俄罗斯的核潜艇上发射升空，但飞船由于没能与第 三级运载火箭分离而坠毁。在第一个“宇宙一号”失败后， 弗里德曼没有放弃，决定重新建造新的光帆，名字仍然采 用“宇宙一号”，
太阳帆法线方向
太阳光方向
其中R和T是径向和横向分量，具体为 a0是特征加速度
2018年10月8日 Page 13
特征加速度的定义
太阳光的压力公式
2 AU F 2 PA s n n r 2
Where AU is 1 astronomical unit, r is the distance between the sail mass center and the Sun, P is the nominal solar radiation pressure constant at 1 from the Sun, A is the area of the sail. 当太阳帆距离太阳1个天文单位，且法线沿太阳光线 时，此时的太阳帆加速度定义为特征加速度，其大小为
如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方 米，由光压获得的推力为0．034吨。根据理论计算，这一 推力可使重约0．5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若 太阳帆的直径增至2000米，它获得的1．5吨的推力就能把 重约5吨的航天器送到太阳系以外。 由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型 太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。
太阳帆介绍
高云峰
2018年10月8日 Page 1
背景介绍
太阳帆是以太阳光压为动力的航天器。可以飞向遥远 的星空而基本上不携带燃料。 太阳帆的轨道是非开普勒轨道，其轨道和姿态耦合比 普通的卫星要大得多。 目前太阳帆还没有进入工程应用阶段，但是小形太阳 帆的技术验证工作已经开展。
wk.baidu.com
从文献中看，未来太阳帆的应用有几个方面： 深空探测，飞向一些行星 悬浮轨道，探测太阳或其他天体的信息 在新的拉各朗日点驻留，提前预报太阳风暴 地球磁场探测，跟踪地球磁场的运动
2018年10月8日 Page 2
著名天文学家开普勒早在400年前就曾设想过不携带任何 能源，仅依靠太阳光的能量使飞船驰骋太空的可能性。他曾 指出，彗星烟雾状的尾部就是在太阳光影响下“不断飘动 的”。 但直到1924年，俄国航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基和 其同事灿德尔才明确提出“用照射到很薄的巨大反射镜上的 太阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出 了太阳帆——这种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成 为今天建造太阳帆的基础。而后科幻小说家阿瑟· 克拉克在他 的小说《太阳帆船》里太阳帆的概念深入人心。 虽然“太阳帆”飞船的构想最早比人类第一枚火箭成功 发射还早30多年，但它的发展却不是一帆风顺的，包含了人 类将近一个世纪的梦想和曲折。
其中AU是1个天文单位，ρs是从太阳到太阳帆的距 离, P是太阳光压在距太阳1个天文单位处的强度， A是太阳帆的面积。
2018年10月8日
Page 8
在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的 推力还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳 光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要 十分光滑平整。“宇宙”1号的太阳帆面积为530．93平方 米，与光压获得的推力仅为255克。